Grâce à l'étude des surfaces d'insectes, Des chercheurs de Penn State ont détaillé une nanostructure non identifiée auparavant qui peut être utilisée pour concevoir des revêtements hydrofuges plus résistants.

Les résultats de cette recherche ont été publiés aujourd'hui (17 juillet) dans Avancées scientifiques.

Avec une capacité améliorée à repousser les gouttelettes, cette conception pourrait être appliquée aux équipements de protection individuelle (EPI) pour mieux résister aux particules chargées de virus, comme le COVID-19, entre autres applications.

« Depuis quelques décennies, les surfaces hydrofuges de conception conventionnelle sont généralement à base de plantes, comme des feuilles de lotus, " a déclaré Lin Wang, un étudiant au doctorat au Département de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State et l'auteur principal de l'article.

Les théories classiques de l'ingénierie ont utilisé cette approche pour créer des substances superhydrophobes, ou hydrofuge, superficies. Traditionnellement, ils sont fabriqués avec des textures à faible fraction solide, qui maintiennent une couche d'air extrêmement mince au-dessus d'une faible densité de microscopique, nanostructures en forme de cheveux, que les chercheurs comparent à une table de hockey sur air.

"Le raisonnement est que si la gouttelette ou l'objet flotte au-dessus de cet air, il ne restera pas collé à la surface, " dit Tak-Sing Wong, le Wormley Early Career Professor of Engineering, professeur agrégé de génie mécanique et biomédical et conseiller de Wang.

Comme il fonctionne efficacement, les revêtements artificiels ont tendance à imiter la faible densité de ces nanostructures.

Cependant, cet article détaille une approche entièrement différente. Lors de l'examen de surfaces comme l'œil d'un moustique, le corps d'un collembole ou l'aile d'une cigale au microscope électronique à haute résolution, Wang a découvert que les poils nanoscopiques sur ces surfaces sont plus denses, appelés en ingénierie des textures à fraction solide élevée. Après une exploration plus poussée, cet écart important par rapport à la structure des plantes peut conférer des avantages hydrofuges supplémentaires.

"Imaginez si vous aviez une haute densité de ces nanostructures sur une surface, " a déclaré Wang. " Il pourrait être possible de maintenir la stabilité de la couche d'air à partir de forces d'impact plus élevées. "

Cela pourrait également signifier que les structures les plus densément emballées peuvent être capables de repousser le liquide qui se déplace à une vitesse plus élevée, comme les gouttes de pluie.

Bien que le concept de conception soit nouveau pour les humains, les chercheurs pensent que cette nanostructure augmente la résilience de l'insecte dans son environnement naturel.

"Pour ces surfaces d'insectes, repousser les gouttelettes d'eau est une question de vie ou de mort. La force d'impact des gouttes de pluie est suffisante pour les transporter au sol et les tuer, " dit Wang. " Alors, il est vraiment important pour eux de rester au sec, et nous avons compris comment."

Avec ces connaissances glanées dans la nature, les chercheurs espèrent appliquer ce principe de conception pour créer des revêtements de prochaine génération. En développant une surface hydrofuge qui peut résister à un déplacement plus rapide et à des gouttelettes d'impact plus élevées, les applications sont abondantes.

De petit, véhicules robotisés volants, comme les drones avec lesquels Amazon espère livrer des colis, aux avions de ligne commerciaux, un revêtement qui peut imiter ces surfaces d'insectes pourrait offrir une efficacité et une sécurité accrues.

Cependant, à la lumière de la pandémie de COVID-19, les chercheurs ont depuis réalisé que cette connaissance pourrait avoir un impact supplémentaire sur la santé humaine.

"Nous esperons, une fois développé, ce revêtement pourrait être utilisé pour les EPI. Par exemple, si quelqu'un éternue autour d'un écran facial, ce sont des gouttelettes à grande vitesse. Avec un revêtement traditionnel, ces particules pourraient coller à la surface de l'EPI, " dit Wong. " Cependant, si les principes de conception détaillés dans ce document ont été adoptés avec succès, il aurait la capacité de repousser ces gouttelettes beaucoup mieux et de garder potentiellement la surface exempte de germes. »

Comme on le voit dans ce travail, le Wong Laboratory for Nature Inspired Engineering tire des enseignements des phénomènes biologiques pour rendre les innovations de l'humanité meilleures et plus efficaces.

"Alors que nous n'imaginions pas cette application au début de ce projet, COVID-19 nous a fait réfléchir à la façon dont nous pouvons utiliser ce principe de conception pour profiter à plus de personnes, " a déclaré Wong. " C'est à nous, en tant qu'ingénieurs, de prendre ces découvertes et de les appliquer de manière significative. "

La prochaine étape de ce travail sera le développement à grande échelle, méthode rentable qui peut fabriquer un revêtement pour imiter ces propriétés.

"Autrefois, nous n'avions pas de surface efficace qui pourrait repousser les gouttelettes d'eau à grande vitesse, " dit Wong. " Mais les insectes nous ont dit comment. Il y a tellement d'exemples comme celui-ci dans la nature; nous avons juste besoin d'apprendre d'eux."